Wykorzystanie oznaczenia aktywności dehydrogenaz osadu czynnego do kontroli procesu oczyszczania ścieków

POLITECHNIKA ZIELONOGÓRSKA • ZESZYTY NAUKOWE NR 124

Nr 10 INŻYNIERIA ŚRODOWISKA

Mirosław MĄKOWSKI, Sylwia MYSZOGRAJ*

WYKORZYSTANIE OZNACZENIA AKTYWNOŚCI DEHYDROGENAZOSADUCZYNNEGO

2000

DO KONTROLI PROCESU OCZYSZCZANIA ŚCIEKÓW

Stres::c=enie

Zmiana aktywno.~ci enzymatycz11ąj osadu czyn11ego spowodowana zmianą

parametrów .ścieków. dop~ywem składników hamujących dehydrogenację

lub przekształceniem się biocenozy osadu czynnego. pro'fvadzi do zmiany

szybkości poboru tlenu pr::ez osad czynny oraz lic::ebno.fci bakterii. Wy- mienione czynniki mają bezpo.1'redni Hpływ 11a efekt oc::ys::czania ście­

ków. Korzystne dla technologii prowadzenia procesu osadu czynnego

byłoby wykorzystanie oznaczenia. które w prosty i szybki sposób pozwa-

lałoby na jego ocenę. Oznaczeniem takim może hyc: test TTC. którego wynik jest miarą aktywno~·ci d~hydrogenaz osadu czynnego. W pracy przedstawiono wyniki badm1 laborato1yjnych nad oceną aktywnof>ci osa-

du czynnego mierzoną testem TTC.

l. WSTĘP

Pcłna ocena i kontrola procesu oczyszczania ścieków osadem czynnym powinna

uwzględniać i wiązać wszystkie towarzyszące mu zjawiska: zmianę właściwości fi- zyczno-chemicznych oczyszczanych ścieków, parametry techniczne procesu, własności

fizyczne i biochemiczne oraz skład ilościowy i jakościowy biocenozy osadu czynnego [J. Przewłocki, 1970]. Uzyskanie pełnej. specjalistycznt~j analizy, zwłaszcza ilościo­

wych i jakościowych oznacze11 mikrobiologicznych jest bardzo czasochłonne, a otrzy- mane wyniki dają obraz procesu zwykle za późno by móc nim właściwie sterować.

Dlatego też szybka ocena aktywności osadu czynnego, której wynik pozostaje w ści­

słym związku z liczebnością !lory bakteryjnej może wp~mąć korzystnie na ocenę pro- wadzonych procesów oczyszczania ścieków.

Podstawową funkcją mikroorganizmów osadu czynnego jest utlenianie zawartych w ściekach substancji organicznych do związków mineralnych. O przebiegu tego pro- cesu decyduje aktywność enzymów łańcucha oddechowego baklerii. W oddychaniu

Dr inż. Mirosław Mąkowski, mgr inż. Sylwia Myszograj- Polircchnika Zielonogórska

80 Mirosław A1ĄKOWSKI, Sylwia MYSZOGRAJ

tlenowym ^odłączany od utlenianego substratu atom wodoru jest przenoszony przez

łatkuch oddechowy na kot1cowy akceptor, jakim jest tlen. Pierwszymi enzymami łań­

cucha oddechowego są dehydrogenazy, które katalizują odłączanie atomów wodoru od

substratów. Zatem aktywność enzymów (dehydrogenaz) może służyć jako wskaźnik aktywności mikroorganizmów osadu czynnego [J. Gat1czarczyk, 1969]. Lenhard [J. Przewłocki, 1970] zaproponował wykorzystanie chlorku trójfenylotetrazoliowego (TTC) do pomiaru aktywności dehydrogenaz flory bakteryjnej. Jedną z pierwszych prac, gdzie zastosowano test TTC do określenia aktywności biochemicznej osadu czynnego ^są badania Buckseega i Thiele 'a (1959 i 1964), Farkas'a (1967-1968) oraz Forda, Yanga i Eckenfeldera (1966) [G. Buraczewski, 1994].

W badaniach przeprowadzonych przez wyżej wymienionych autorów obserwowano zmiany aktywności dehydrogenaz osadu czynnego w zależności od temperatury prowa- dzenia procesu oczyszczania ścieków.

2. MATERIAL Y I METODY _BADAŃ

Zmiany aktywności osadu czynnego przebadano w zakresie od lO do 37°C, w przedzia-

łach co 3 °C. Próbki osadu czynnego, w których oznac:~ano aktywność mikroorgani- zmów osadu czynnego testem TTC pobierano z modelowego układu oczyszczania

ścieków w warunkach ich ciągłego przepływu. Do badań wykorzystano ^ścieki synte- tyczne o składzie zbliżonym do typowych ścieków bytowo-gospodarczych, co zagwa-

rantowało stabilny przebieg procesu oczyszczania ścieków osadem czynnym z pomi-

nięciem przypadkowych błędów wynikających ze zmiany składu ilościowego i jako-

ściowego ścieków. W badaniach zastosowano osad czynny pobrany z oczyszczalni

ścieków miejskich w Zielonej Górze, który adaptowano do pracy w układzie przez okres 14 dni.

2.1 Charakterystyka ścieków stosowanych w badaniach

Oczyszczaniu poddawano ścieki syntetyczne, których zanieczyszczenia organiczne modelowano przy użyciu skrobi, glukozy i glutaminianu sodu, a jako źródło azotu nieorganicznego zastosowano chlorek amonu. Skład ścieków opracowano w oparciu o dane doświadczalne podane przez Mikscha [K. Miksch, 1993] oraz badania własne

(Tab. l). Partię ścieków o objętości 5 dm³ przygotowywano codziennie. Parametry

jakości ścieków syntetycznych przedstawiono w tabeli :2. Charakterystyczne stosunki dla opracowanego składu ścieków syntetycznych wynosiły:

P/BZT₅

=

NI BZTs ⁼ 0,1.56 ChZT/ BZT₅

=

Wykorzystanie oznaczenia aklvwno.ki ... 81

TABELA I

Skład ścieków użvtych w badaniach

Lp. ^Składnik mg/dm·¹

l. NH4Cl 95

2. Na2C03 100

3. FcS04-mlo 7,5

4. KH2P04 50

5. NaCI 50

6. CaCI2 · 2H20 lO

7. MgS04 -7H20 140

8. NaHC03 125

9. MnS04·H20 0,0675

10. CuS04 0,00425

II. NaMo04· 2H20 0,00242

12. ZnS04·7H20 0,07

13. skrobia 100

14. glukoza 240

15. glutaminian sodu 250

TABELA 2

Pmwnen:~•.fizyAochemicme kieków użytych w badaniach

Lp. Parametr Jednostka Ści~ki syntetyczne

l. p H ^- 7.33

2. Zasadowość mvalldm¹ 4,5

3. Sucha pozostalość mg/drn--r 1132,0

4. Substancje rozp. mg/dm' 818,0

5. Zawiesina ogólna mg/dm³ 314.0

6. Azot amonowy ^mgN-N~+/dm1 31 ,O

7. Azotany rngN-N01-/dm³ 0.0

8. Azotyny rngN-N02-/dm' 0,0

9. Azot organiczny mgN/dm' 20.0

10. Azot całkowity mgN/dm¹ 51 ,O

11. Fosforany mgPO _{~ 4} ³'/dm³ 35,0

12. Chlorki mg Cr!dm' 100,0

13. ChZT mg02/dm³ 736,0

14. BZTs mg02/dmJ 326.0

82 lviiroslaw lvL·JKOH\'iKJ. Sylwia MYSZOGRAJ

2.2 Stanowisko badawcze

Badania przeprowadzono z wykorzystaniem stanowiska badawczego przedstawionego na rys. l.

l. Komora denitryfikacji 2. Komora nitryfikacji

3. Osadnik vvtórny 4. Zoiornik za s i la.i<1CY 5. Zawór stopowy 6. Zawór dawkujący

7. Mieszadło magnctyczn-:

Sa. Pornpa membranowa Pro:\1inent gamma G/4b l 00 l 8b. Pompa mcmbranowa PmMinenr gununa G/41:· 1602

Od p t,."._.

9. Mieszadło wolnooim)towc IKA Eurostar l O. Kompresor

l l. :Vliernik WTW Mullil.int! N

l 2. Elektrody rorniar•)WC CeiiOx 325,

SenTix4 1

l 3. Termostal

14. Termometr kontaktowv 15. Płaszcz wodny '

16. Izolacja termiczna

Rys. l Schemat stanowiska badawczego

2.3 Zasada oznaczania

osadu

testem TTC

Aktywność osadu czynnego oznaczono za pomocą testu TTC _(określającego stężenie

dehydrogenaz odpowiadających za odwodorowanie z:mieczyszczeil organicznych.) opracowanego przez Lenharda i Nourse 'a oraz Eckenfeldera i Davisa,

a zmodyftkowanego przez Przewłockiego [J. Przewłocki. 1970].

Test TTC polega na zastosowaniu chlorku trójfenylotetrazoliowego (TTC) do pomiaru

aktywności dehydrogenaz flory bakteryjnej osadu czynnego ^w optymalnych warunkach.

Wykorzystanie oznaczenia aktywnoki ... ₈₃

Bezbarwny TTC jest akceptorem wodoru przenoszonego przez FADN. Pod wpływem

wodoru bezbarwny TTC redukuje si~ do zabarwionego na czerwono trójfenylofurazonu (TF), którego zawartość mierzono kolorymetrycznie (miara aktywności dehydrogenaz).

W każdej z badanych temperatur wykonano trzy niczależne oznaczenia aktywności

dehydrogenaz w odstępach dwudniowych. Do analizy wpływu temperatury na aktyw-

ność dehydrogenaz przyj~to wartości średnie z trzech uzyskanych v;yników.

3. WYNIKI

Zmiany aktywności dehydrogenaz osadu czynnego w zależności od temperatury i związaną z tym redukcję BZT~ przedstawiono na rys. 2.

Aktywność osadu czynnego mierzona przemianą TTC w TF ros ta w zakresach: l O- l90C (0.1647-0,1998 )..!mol TF mg s.m.o.) i 28-34°C (0,1031-0,1546 J..lmOl TF /mg s.m.o). W przedziale temperatur 34-37°C aktywność dehydrogenaz osadu czynnego

malała osiągając w temperaturze 37°C '..vartość minimalną 0.0957 J..lmol TF /mg s.m.o, co jednak zapewniło redukcję BZT 5 w 94,6%. Wg Prze,dockiego [J. Przewłocki 1970) osad czynny o aktywności dehydrogenaz 0.05-0,120 J..llTlOl TF /mg s.m.o pozwala na uzyskanie wysokiego stopnia usuwania :~anicczyszczeń organicznych rzędu 77-94%. W przeprowadzonych badaniach uzyskano sprawność oc1:yszczania rzędu 94,6-98,9%

(redukcja BZT 5) przy aktywności dchydrogcnaz osadu czynnego 0,0957-0,1998 ).!mol TF /mg s.m.o.

W obszarze temperatur 22-28°C stężenie TF malało. Zjawisko ¹⁰ można tłumaczyć

tym, że w zakresie 22-25°C przebiega płynna granica adaptacji bezwzględnych psy- chrofili do wyższych temperatur właściwych dla rozwoju względny~h psychrofili . Na rys. 3 przedstawiono zależność stopnia redukcji BZT~ od aktywności dehydrogenaz.

Badania wykazały, i:l. istnieje ścisły związek mi·tdzy tymi wiclkoś<:iami. Na podstawie uzyskanych wyników wykazano, że z dużą precyzją (stopień dopasowania R¹ =97%)

można wyznaczyć liniową zależność aktywności dehydrogenaz osadu czynnego od stopnia redukcji BZT₅^• Wykonując więc szybki test TTC moż.na przewidzieć efektyw-

ność usunięcia ze ścieków substancji organicznych z dokładnością do 2%.

Na rys. 4 pokazano zależność stężenia masy osadu czynnego od aktywności dehydro- genaz, która ma równic:i. charakter funkcji liniowej. Stężenie TF, określające aktyw-

ność osadu czynnego jest wprost proporcjonah~e do masy osadu czynnego, która po-

średnio charakteryzuje ilość mikroorganizmów biorących udział w procesie bioutlenia- nia substancji organicznych. Stopień dopasowania wyznaczonej ńmkcji wynosi R¹=95

%.

84

.--•

e

~

~

e

-

-

e

-

~

~

V)

F-N

~=Q

·-·

"' =

Mirosław M!JKOWSKJ. Sylwia MYSZOGRAJ

0,21 100

0,19

0,17 ^{. . .}

. . .

0,15 ^.

.

-

.

-

0,13 ^{• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •}

0,11 ^{• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •} • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 95 0,(9 ^{• • • • - • • • • • • • • • • • • • • • - • • • • • • • • • • • - • • • u • • • - • • • • • • • - • • • • • •} ₉₄

0,07 ^.

. .

-

.

. .

-. . . . . .

. . . . .

.

.

-

.

0,05 ₉₂

lO

19

Rys. 2. Aktywność dehydrogenaz csadu czynnego oraz swpiełi redukcji BZTs

w .:akresie 1empemtur l 0-3 7 OC'

100 99 98

97 96

95 94 93 92

91

90

..

.. ...

...

... ... . . ... .. ... . ... . ...

..

. .. ... .

..

. . ...

.. ... . ...

---- ^-

^-- - - -

• • • • • • • • • • • • •

. -- . -

• • • • • • • • • •

- - ^.. -

---

---

• •

. -

• •

...

.

.

- ^{. . . . .} . ^.

"",.. :

.... !

- ~· • • - • • - • • • - • - • -c:

", . " · !

-,.·-····-··· i

• •

" .

_./. ~- • - - - • - - - - - - - - - • - .l

• • • • •

- -- -

• ... ^•

· "" .

.

_".,..

. - - -

• •

- ^. --- - - - - - - ^. - - - ^. - - - - - - -

~

• • • •

... _...

... .

. - .

-

- ^. -- ^-- -- ^{. -} - ^. -- - ^. ,

-- ^. -

• • • • • • • • •

. -

. - _{. . -} --

• • • •

. -

- ^{. . .} -- ^{. . .} -

-- ^. --- ^{. . .}

. j

... l

~ •

0,05

o,

dehydrogena. [J..Lrnol TF/ mg s.m.l

Rys.3. Zależność aktywno.ści dehydrogenez osadu czynnego od stopnia redukcji BZTs

Wykorzystanie oznaczenia aktywno.ici ... 85

4 --~·-~·~·~·~·~·~·~··~·~··~··~··~·~·~·~·-~-·~··~··~·~·~·~··~·~··~·~·~··~··~··~··~··~··~·~·~··~··~··~··~·~··~··~·!

3,8 3,6

f"!

a 3,4

~ 32 c '

Ei 3

: 2,8

x ^2,6

....... 0 .... .

: : : : : : : : : : : : : : : : : :9: : ^{:<?: : : :} .•.. : : : : : : : : : : :

2,4 · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·l ^{R2=0,95 ~-}

2,2 .••...•.. . . ^L. _ _ _ _ _ _ _ _j_ !

2+---~---~---~---~ ~

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

dehydrogenazy IJ.Lmol TF/ mg s.m.l

Rys. 4. Zmienność aktywno.ki dt:lzydroge11az w zależno.ki od stężenia masy osadu czynnego

4. WNIOSKI

Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że:

l. Ocena aktywności fizjologicznej mikroorganizmów daje obraz zmian zachodzą­

cych w procesie oczyszczania ścieków osadem czynnym.

2. Istnieje funkcyjna zależność między stężeniem dehydrogenaz a stopniem redukcji BZT₅ oraz stężeniem masy osadu czynnego. W badanym układzie (procesie oczyszczania ścieków syntetycznych osadem czynnym) zależności te mają charak- ter liniowy.

3. Zalety testu TTC (prostota i szybkość wykonania oznaczenia) stwarzają szansę na jego wykorzystanie do kontroli i oceny procesu oczyszczania ścieków osadem czynnym.

5. LITERA TURA

[l] BURACZEWSKI G.: Biotechnologia osadu czynnego. Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa (1994).

[2] GAŃCZARCZYK J.: Oczyszcza11ie ~·cieków metodą osadu czynnego. Arkady Warszawa (1969).

86 ^{Mirosław MĄKOWSKJ. Sylwia} MYSZOGRAJ

[3] HERMANOWICZ W.: Ftzyczno-chcmicznc badanie wody i ścieków. Arkady Warszawa (1999).

[4] KĄCZKOWSKI J.: ?odstawy biochemii. Wydawnictwa Naukowo Techniczne Warszawa ( 1996).

[5] PRZEWLOCKI J.: Kontrola procesu oc::ys::c::ania ^.kżeków osadem czynnym za

pomocą testu TTC, "Gaz. \V oda i Technika Sanitarna" nr 3, s l 03-106, (1970).

[6] PRZEWLOCKI J.: Oznaczanie akrywności osadu c=ynnego. ,,Gaz, Woda i Tech- nika Sanitarna", nr 2, s. 66-70, (1970).

[7 ]

Postępy Inżynierii Biorcaktorowcj. s. 37-48, Łódź ( l993).